水聽器對(duì)海域地震觀測(cè)能力的分析

賈正大 林彬華 張國(guó)平

（1、中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江 哈爾濱150080 2、中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150080 3、福建省地震局,福建 福州350003 4、中國(guó)地震局廈門海洋地震研究所,福建 廈門361000）

我國(guó)領(lǐng)海面積廣闊,海洋資源豐富,天然氣水合物資源、海洋油田資源、海底砂礦等都有待于進(jìn)一步開發(fā)、開采。開發(fā)海洋資源的第一步就是要對(duì)海洋資源進(jìn)行勘探,勘探的主要手段為地震勘探（周洋,2018）。在地震研究中,海洋地震觀測(cè)主要依賴于沿海的陸地臺(tái)站,隨著海底地震儀的研發(fā),海洋地震觀測(cè)臺(tái)站的建立也變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。美國(guó)、加拿大、歐洲等國(guó)都建立了集各領(lǐng)域研究為一體的海洋觀測(cè)臺(tái),我國(guó)從“十一五”至今建立了不少海洋觀測(cè)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),也取得了不少成果。但是,鮮有有效數(shù)據(jù)可以利用。

海洋觀測(cè)臺(tái)的建設(shè)離不開海底地震儀的發(fā)展,海底地震儀主要是由三分量地震傳感器和水聽器起到采集信號(hào)的作用。受海底環(huán)境的影響,海浪對(duì)噪聲的放大作用,海底地震儀記錄到的背景噪聲會(huì)比岸邊儀器記錄到的背景噪聲大（S.C.Webb,2006）。水聽器在檢測(cè)信號(hào)時(shí),也存在各種儀器上限。文章就是利用水聽器記錄到的地震信號(hào),通過波形圖,分析水聽器觀測(cè)地震的能力與震中距的關(guān)系以及相同震中距的情況下不同震級(jí)的關(guān)系。同時(shí),將地震分為天然地震與人工地震對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)信息

文章的數(shù)據(jù)主要分為兩部分。第一部分是人工震源,主要由三組測(cè)線和29 臺(tái)海洋地震儀（水聽器）組成,見圖1。水聽器編號(hào)為No.101 到No.129,其中No.104、No.109、No.112、No.113、No.119、No.123 未能成功回收,故只有23 臺(tái)儀器數(shù)據(jù)可供使用。

圖1 氣槍震源測(cè)線以及OBS 分布

第二部分是天然地震,漳州浯嶼島海洋地震觀測(cè)臺(tái)站于2018 年9 月-2019 年6 月記錄到的臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣島以及周邊海域的地震信號(hào)。浯嶼島臺(tái)站一共五臺(tái)儀器,位于廈門市南部6海里的浯嶼島船廠碼頭,水聽器前置放大器頻率：0-5000Hz,水聽器靈敏度：-165dB re：1V/u Pa。根據(jù)福建省地震局的地震目錄,結(jié)合臺(tái)灣省地震目錄,2018 年9 月-2019 年6 月,臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣島以及周邊海域共記錄到2.0 級(jí)以上地震504 個(gè),震級(jí)覆蓋2.0-6.3 級(jí),震中距范圍：30km-500km。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于記錄到的數(shù)據(jù),會(huì)產(chǎn)生偏移、基線漂移,需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值基線矯正和最小二乘法去趨勢(shì)。此外,水聽器記錄到的信號(hào),除去地震信號(hào),還有大量的噪聲。為了提高信噪比,需要進(jìn)行濾波處理,文章選用帶通濾波,濾波范圍：1.0-15Hz。

圖2 1 號(hào)測(cè)線,信號(hào)與震中距關(guān)系

圖3 2 號(hào)測(cè)線,信號(hào)與震中距關(guān)系

圖4 3 號(hào)測(cè)線,信號(hào)與震中距關(guān)系

2 分析與對(duì)比

2.1 人工震源分析

根據(jù)水聽器記錄到的人工地震信號(hào)（氣槍信號(hào)）,畫出信號(hào)與震中距的關(guān)系,見圖2、圖3、圖4。由于不同儀器的工作性能不同,文章只展示可以觀測(cè)到信號(hào)的儀器。波形圖從氣槍激發(fā)時(shí)間開始,截取后面一段為地震信號(hào)。

觀察圖片發(fā)現(xiàn),水聽器觀測(cè)的地震信號(hào),隨著距離的增大,信號(hào)走時(shí)也在變長(zhǎng)。當(dāng)距離增大到一定程度,就無法記錄到信號(hào)。但是,在距離相對(duì)較近的時(shí)候,水聽器能記錄到清晰的天然地震信號(hào)。同時(shí),通過對(duì)23 臺(tái)儀器對(duì)比,發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一測(cè)線,并不是所有水聽器都能記錄到信號(hào)。

2.2 天然震源分析

根據(jù)水聽器記錄到的人工地震信號(hào)（氣槍信號(hào)）,畫出信號(hào)與震中距的關(guān)系,見圖5。由于不同儀器的工作性能不同,文章只展示可以觀測(cè)到信號(hào)的儀器。波形圖從地震發(fā)生時(shí)間開始,截取后面一段為地震信號(hào)。由于五個(gè)OBS（水聽器分量）表現(xiàn)出相同的特征,故此,文章只展示其中一臺(tái)儀器的圖。

水聽器記錄天然地震信號(hào)質(zhì)量很差,在震中距小于100km的部分,震例較少,震級(jí)在2.0-2.9 范圍內(nèi),無法觀察到任何地震信號(hào)。震中距在109-120km 范圍內(nèi),有152 個(gè)地震,震級(jí)包含2.0-4.9 以及一個(gè)6.2 級(jí)地震。6.2 級(jí)地震被淹沒在其他無法看到地震的信號(hào)中,另見圖5（c）,可以觀察到明顯的地震信號(hào)。震中距更遠(yuǎn)的地震與圖5（b）得出的結(jié)果一樣。

3 結(jié)論

文章通過對(duì)三組測(cè)線下的23 臺(tái)OBS（水聽器分量）觀測(cè)到的氣槍信號(hào)以及固定海底觀測(cè)站的五臺(tái)OBS（水聽器分量）觀測(cè)到的地震信號(hào)分析,得到以下結(jié)論：

圖5 OBS 5,信號(hào)與震中距關(guān)系

水聽器對(duì)氣槍信號(hào)觀測(cè)有較好的性能,但受距離的影響,距離越遠(yuǎn),記錄到的信號(hào)越差,當(dāng)距離超出45km 基本無法觀測(cè)到信號(hào)。對(duì)于天然地震的觀測(cè),水聽器表現(xiàn)出非常差的觀測(cè)能力,震級(jí)較小的地震以及震中距較大的地震,基本都無法觀測(cè)到,但是在震級(jí)較大以及震中距相對(duì)較小時(shí),還是可以觀測(cè)到地震信號(hào)。水聽器在觀測(cè)天然地震上還有很大的進(jìn)步空間,如何提高信噪比是能否記錄到清晰地震信號(hào)的關(guān)鍵,至于氣槍信號(hào)的觀測(cè)也可以在觀測(cè)距離上面進(jìn)一步提高。